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JP2002305196A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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Publication number
JP2002305196A
JP2002305196A JP2001109663A JP2001109663A JP2002305196A JP 2002305196 A JP2002305196 A JP 2002305196A JP 2001109663 A JP2001109663 A JP 2001109663A JP 2001109663 A JP2001109663 A JP 2001109663A JP 2002305196 A JP2002305196 A JP 2002305196A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
silicon
oxynitride film
film
nitrogen concentration
silicon substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001109663A
Other languages
English (en)
Inventor
Minoru Fujiwara
実 藤原
Kazurou Saki
和朗 佐喜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2001109663A priority Critical patent/JP2002305196A/ja
Publication of JP2002305196A publication Critical patent/JP2002305196A/ja
Pending legal-status Critical Current

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  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコン基板とシリコン酸窒化膜との界面の
窒素濃度を低くし、かつ、シリコン酸窒化膜表面の窒素
濃度を高くする。 【解決手段】 シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成
し、前記シリコン酸化膜に対して圧力50Torr以下
のNH3ガス雰囲気中1000℃以上の温度で60秒以
下の熱処理を施すことによって前記シリコン酸化膜に窒
素を導入してシリコン酸窒化膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】 本発明は、半導体装置の製
造方法に関し、特にMIS型電界効果トランジスタ(M
ISFET)のゲート絶縁膜として用いられる酸窒化膜
の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】 大規模集積回路(LSI:Large
Scale Integrated circuit
s)の微細化、高集積化が進むにつれ、ゲート絶縁膜と
して使用されているシリコン酸化膜の薄膜化が必要にな
っている。
【0003】しかし、前記シリコン酸化膜の薄膜化に伴
って、ゲートポリシリコン電極中に導入した不純物(例
えば、ボロン)に対するバリア性が失われてしまう。こ
の現象によって、しきい値電圧の変動及び界面準位の増
加を招き、デバイス特性ばらつきの増大という問題が生
じる。
【0004】また、上記ゲート絶縁膜の薄膜化に伴っ
て、膜厚に依存したゲート電流が増大してしまう。この
現象は理論的に膜厚の減少に対して指数関数的に増大す
ることが知られている。
【0005】そこで、上記の問題点を解決するために、
前記ゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜に代わってシリ
コン酸窒化膜の採用があげられる。窒素原子導入によっ
て、ゲート絶縁膜の分子構造が緻密になり、ゲート電極
中の不純物であるボロン原子のシリコン基板への拡散を
防止できる。
【0006】また、窒素原子導入によって、ゲート絶縁
膜の平均誘電率が上昇するため、同一の電気的膜厚で前
記シリコン酸化膜と比べて物理膜厚が厚いゲート絶縁膜
の形成が可能となり、上記問題とされているゲート電流
が増大する現象も抑えられるという利点もある。
【0007】上記シリコン酸窒化膜形成には、半導体基
板上にシリコン酸化膜を形成し、その後NO、N2O又
はNH3ガス雰囲気中で熱処理を加える手法が用いられ
ている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】 しかし、特に5nm
以下の薄膜のシリコン酸化膜に窒素を導入する場合、N
O又はN2Oガスを用いると、図7(a)に示すように
シリコン基板とシリコン酸窒化膜との界面付近に窒素が
導入される。その結果、固定電荷及び界面準位が増大
し、移動度の低下や1/fノイズの増加等の問題が発生
し、デバイス特性の劣化に繋がる。
【0009】また、NH3ガスを用いると、シリコン酸
窒化膜が5nm以下の薄膜の下では図7(b)に示すよ
うに、酸窒化膜中の窒素濃度分布がほぼ均一になるた
め、上記NO又はN2Oガスと同様にシリコン基板と酸
窒化膜との界面付近の窒素濃度が高くなる。したがっ
て、この場合もデバイス特性が劣化してしまう。
【0010】そこで、本発明はシリコン酸窒化膜とシリ
コン基板との界面付近の窒素濃度を低く抑え、シリコン
酸窒化膜表面の窒素濃度を高めるような半導体装置の製
造方法を提供する。
【0011】
【課題を解決するための手段】 上記課題は、シリコン
基板上に膜厚5nm以下のシリコン酸化膜を形成する工
程と、前記酸化膜を形成したシリコン基板を圧力50T
orr以下のNH3含有ガス雰囲気中1000℃以上の
温度で60秒以内の熱処理を施すことによって前記シリ
コン酸化膜中に窒素を導入してシリコン酸窒化膜を形成
する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方
法により解決する。
【0012】本発明によれば、上記条件の下熱処理する
ことによって、シリコン基板とシリコン酸窒化膜との界
面付近における窒化反応が抑制され、シリコン酸窒化膜
表面近傍の窒素濃度を高くすることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】 [第1の実施例]本発明の第1
の実施例による半導体装置の製造工程を説明する。図1
は本発明の第1の実施例に係るMIS型半導体装置の製
造工程を示す図である。
【0014】図1(a)を参照するに、シリコン基板1
に素子分離領域2を形成し、熱酸化法によって前記シリ
コン基板1上に2.5nmのシリコン酸化膜3を形成す
る。
【0015】次に図1(b)に示すように、前記シリコ
ン酸化膜3を圧力10TorrのNH3ガス雰囲気中に
おいて、温度1050℃で60秒間の熱処理を施す。そ
の結果、前記シリコン酸化膜3に窒素が導入されシリコ
ン酸窒化膜4が形成される。
【0016】ここで、前記工程によって形成されたシリ
コン酸窒化膜4の表面からシリコン基板界面までの窒素
濃度プロファイルを図2の実線で示す。また、図2の点
線は、前記工程のNH3ガスに代えてNOガス雰囲気中
で熱処理した場合の窒素濃度プロファイルを示してい
る。
【0017】点線はシリコン酸窒化膜表面(以下、「酸
窒化膜表面」という。)の窒素濃度が低く、シリコン基
板とシリコン酸窒化膜との界面(以下、「シリコン基板
界面」という。)付近の窒素濃度が高くなっている。一
方、実線は酸窒化膜表面の窒素濃度が高くなり、逆にシ
リコン基板界面付近の窒素濃度が低くなっていることが
確認できる。
【0018】したがって図2から明らかなように、NH
3ガス雰囲気中で処理したシリコン酸窒化膜の窒素濃度
は酸窒化膜表面付近が高く、シリコン基板界面付近が低
くなり、固定電荷及び界面準位を低く保つことができ、
移動度の低下、1/fノイズの増加を抑えることが可能
となる。
【0019】続けて、図1(c)に示すように、前記シ
リコン酸窒化膜4上にゲート電極となるポリシリコンを
堆積し、フォトリソグラフィー及びエッチング技術によ
って加工し、ゲート電極5を形成する。さらに、前記ゲ
ート電極5と素子分離領域2との間の領域に不純物拡散
を施して拡散層6を形成し、MIS型半導体装置が形成
される。ここで、本発明の効果を発揮することができる
発明の実施範囲について説明する。
【0020】図3は圧力30TorrのNH3含有ガス
雰囲気中における処理時間と酸窒化膜表面の窒素濃度と
の関係を処理温度別に表したグラフである。図3より、
処理温度が高いほど短時間に酸窒化膜表面の窒素濃度を
高めることが可能であり、また、処理時間を長くするほ
ど酸窒化膜表面の窒素濃度が高くなることがわかる。
【0021】しかし、処理時間を長くすると酸窒化膜表
面の窒素濃度が高くなるが、同時にシリコン基板界面の
窒素濃度も高くなる。この現象を表すグラフを図4に示
す。図4は、圧力30TorrのNH3含有ガス雰囲気
中における処理時間とシリコン基板界面の窒素濃度との
関係を処理温度別に表したグラフである。図4より、処
理時間が長いほどシリコン基板界面の窒素濃度が高くな
ることがわかる。本発明はシリコン基板界面の窒素濃度
を低く抑え、移動度の低下や1/fノイズの増加等の問
題によるデバイス特性の劣化を防ぐことを目的とするこ
とから、シリコン基板界面の窒素濃度は低いほど望まし
い。良好な界面特性を得るためには、シリコン基板界面
の窒素濃度を2atomic%以内に抑えることが必要
である。すなわち、図4より処理温度1000℃におい
ては60秒以内、900℃においては3分以内、800
℃においては10分以内の短時間化を図る必要がある。
【0022】しかし、処理温度900℃や800℃で処
理した場合、上記条件の下シリコン基板界面の窒素濃度
を2atomic%以内に抑えることができるが、その
際の酸窒化膜表面の窒素濃度は約4.5atomic%
までしか高めることができない(図3参照)。一方、処
理温度が1000℃ではシリコン基板界面の窒素濃度2
atomic%に対して酸窒化膜表面の窒素濃度を約
6.6atomic%まで高めることが可能である(図
3参照)。したがって、処理温度を1000℃以上の高
温、かつ、60秒以下の短時間処理を施すことによっ
て、シリコン基板界面の窒化抑制を図った上で酸窒化膜
表面の窒素濃度を高めることができる。
【0023】次に、圧力との関係について考える。図5
は温度1000℃で60秒熱処理した場合の圧力とシリ
コン基板界面の窒素濃度の関係を表したグラフである。
図5より、シリコン基板界面の窒素濃度を2atomi
c%以内に抑えるためには、圧力を50Torr以下に
しなければいけない。
【0024】[第2の実施例]次に本発明の第2の実施
例による半導体装置の製造工程を説明する。図6は本発
明の第2の実施例に係るMIS型半導体装置の製造工程
断面図である。但し、図6において、先に説明した部分
には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【0025】図6(a)を参照するに、シリコン基板1
に素子分離領域2を形成し、熱酸化法によって前記シリ
コン基板上に0.5〜1.5nmのシリコン酸化膜を形
成する。次に実施例1と同様、圧力10TorrのNH
3ガス雰囲気中において温度1050℃で60秒間の熱
処理を施すことによってシリコン酸窒化膜7を形成す
る。
【0026】続けて、図6(b)に示すように、前記シ
リコン酸窒化膜7上に高誘電体絶縁膜8としてSi34
等を堆積し、さらに前記高誘電体絶縁膜8上にゲート電
極となるポリシリコンを堆積する。
【0027】次に、第1の実施例と同様に、前記シリコ
ン酸窒化膜と、Si34と、ポリシリコンをフォトリソ
グラフィーとエッチング技術によって加工し、ゲート電
極9を形成する。さらに、前記ゲート電極9と素子分離
領域2との間の領域に不純物拡散を施して拡散層6を形
成し、MIS型半導体装置が形成される。
【0028】上記シリコン酸窒化膜7とゲート電極9の
間に堆積させたSi34は高誘電体であるため、ゲート
絶縁膜をシリコン酸窒化膜のみで構成するよりもさらに
平均誘電率が高くなり、延いては電気的膜厚を保ったま
まゲート絶縁膜の物理膜厚を厚くすることができるので
ゲート電流の増大を抑制することができる。
【0029】また、本発明の実施例で形成されたシリコ
ン酸窒化膜7の表面は窒素濃度が高いため、酸窒化膜の
平均誘電率も高くなっている。したがって、シリコン酸
化膜を高誘電体絶縁膜8との界面層として用いた場合に
比べてゲート絶縁膜全体の平均誘電率が高くなる。
【0030】また、ゲート電極としてポリシリコン、高
誘電体絶縁膜としてSi34を用いたが、ゲート電極を
タングステン、アルミニウム等の電極材料に、高誘電体
絶縁膜をTa25、TiO2等の高誘電体絶縁材料で構
成することも可能である。
【0031】したがって、本発明は、かかる特定の実施
例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載し
た要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【0032】
【発明の効果】 以上に説明したように本発明によれ
ば、シリコン基板とシリコン酸窒化膜との界面の窒素濃
度を低く抑え、シリコン酸窒化膜の表面の窒素濃度を高
めることができ、その結果、固定電荷及び界面準位を低
く保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施例による半導体装置の製造工程を
示す図である。
【図2】 第1の実施例により製造されたシリコン酸窒
化膜の窒素濃度プロファイル及びNOガス雰囲気中で熱
処理された場合の窒素濃度プロファイルを示す図であ
る。
【図3】 圧力30TorrのNH3ガス雰囲気中にお
ける処理時間とシリコン酸窒化膜表面の窒素濃度との関
係を示す図である。
【図4】 圧力30TorrのNH3ガス雰囲気中にお
ける処理時間とシリコン酸窒化膜とシリコン基板との界
面の窒素濃度との関係を示す図である。
【図5】 NH3ガス雰囲気中において温度1000℃
で60秒間熱処理した場合の圧力とシリコン酸窒化膜と
シリコン基板との界面の窒素濃度との関係を示す図であ
る。
【図6】 第2の実施例による半導体装置の製造工程を
示す図である。
【図7】 従来技術により製造されたシリコン酸窒化膜
の窒素濃度プロファイルである。
【符号の説明】
1…シリコン基板、2…素子分離領域、3…シリコン酸
化膜、4、7…シリコン酸窒化膜、5、9…ゲート電
極、6…拡散層、8…高誘電体絶縁膜
フロントページの続き Fターム(参考) 5F058 BC11 BD01 BD15 BD18 BF64 BJ01 5F140 AA00 AA01 AA03 AA06 AA24 BD01 BD07 BD09 BD11 BD12 BD15 BE07 BE08 BE19 BF01 BF04 BF05 BF07 BG37 CB04

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコン基板上に膜厚5nm以下のシリ
    コン酸化膜を形成する工程と、 前記シリコン酸化膜を形成したシリコン基板を圧力50
    Torr以下のNH3含有ガス雰囲気中1000℃以上
    の温度で60秒以内の熱処理を施すことによって前記シ
    リコン酸化膜中に窒素を導入してシリコン酸窒化膜を形
    成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造
    方法。
  2. 【請求項2】 前記シリコン酸窒化膜を形成する工程の
    後、前記シリコン酸窒化膜上に高誘電体絶縁膜を形成す
    る工程を含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装
    置の製造方法。
JP2001109663A 2001-04-09 2001-04-09 半導体装置の製造方法 Pending JP2002305196A (ja)

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